垃圾回收器

GC分类与性能指标

垃圾回收器分类

• 按线程数分，可以分为串行垃圾回收器和并行垃圾回收器。
  • 串行回收：同一时间段内只允许有一个CPU用于执行垃圾回收操作。
    • 串行回收默认被应用在客户端的client模式下的JVM中
  • 并行回收：可以运用多个CPU同时执行垃圾回收.
• 按照工作模式分，可以分为并发式垃圾回收器和独占式垃圾回收器。
  • 并发式垃圾回收器:与应用程序线程交替工作，以尽可能减少应用程序的停顿时间。
  • 独占式垃圾回收器(stop the world):一旦运行，就停止应用程序中的所有用户线程，直到垃圾回收过程完全结束。
• 按碎片处理方式分，可分为压缩式垃圾回收器和非压缩式垃圾回收器。
  • 压缩式垃圾回收器会在回收完成后，对存活对象进行压缩整理，消除回收后的碎片。
  • 非压缩式的垃圾回收器不进行这步操作。
• 按工作的内存区间分，又可分为年轻代垃圾回收器和老年代垃圾回收器。

评估GC的性能指标

• 吞吐量:运行用户代码的时间占总运行时间的比例
  • (总运行时间:程序的运行时间＋内存回收的时间)
• 垃圾收集开销:吞吐量的补数，垃圾收集所用时间与总运行时间的比例。
• 暂停时间:执行垃圾收集时，程序的工作线程被暂停的时间。
• 收集频率:相对于应用程序的执行，收集操作发生的频率。
• 内存占用: Java 堆区所占的内存大小。
• 快速:一个对象从诞生到被回收所经历的时间。
• 简单来说，主要抓住两点:
  • 吞吐量
  • 暂停时间

在最大吞吐量优先的情况下，降低停顿时间。

不同的垃圾回收器概述

7款经典的垃圾收集器

• 串行回收器: Serial、Serial old
• 并行回收器: ParNew、Parallel Scavenge、Parallel old
• 并发回收器:CMS、G1

7款经典收集器与垃圾分代之间的关系

• 新生代收集器: Serial、ParNew、Parallel scavenge;
• 老年代收集器: Serial old、Parallel old、CMS;
• 整堆收集器:G1;

查看默认的垃圾收集器

• -XX:+PrintCommandLineFlags:查看命令行相关参数（包含使用的垃圾收集器)
• 使用命令行指令:jinfo -flag 相关垃圾回收器参数 进程ID

Serial回收器:串行回收

• serial收集器作为HotSpot中client模式下的默认新生代垃圾收集器。
• serial old收集器是运行在client模式下默认的老年代的垃圾回收器
• serial 收集器采用复制算法、串行回收和"stop-the-world"机制的方式执行内存回收。
• serial 收集器采用标记-压缩算法、串行回收和"stop-the-world"机制的方式执行内存回收。
• 单线程的收集器**：使用一个CPU或一条收集线程**去完成垃圾收集工作，进行垃圾收集时，必须暂停其他所有工作线程，直到收集结束(stop the world)
• 优势：简单而高效
• 命令：-XX:+UseSerialGC
• 总结： 一般在Java web应用程序中是不会采用串行垃圾收集器的。

ParNew回收器:并行回收

• Par是的缩写，New:只能处理的是新生代
• ParNew收集器，并行回收、复制算法和"stop-the-world"机制的方式执行内存回收。
• ParNew是很多JVM运行在server模式下新生代的默认垃圾收集器。
• ParNew收集器运行在多CPU的环境下，由于可以充分利用多CPU、多核心等物理硬件资源优势，可以更快速地完成垃圾收集，提升程序的吞吐量。
• 命令：
  • -XX:+UseParNewGc 指定年轻代使用并行收集器，老年代不影响
  • -XX : ParallelGcThreads 限制线程数量，默认开启和CPU数据相同的线程数。

对于新生代，回收次数频繁，使用并行方式高效。
对于老年代，回收次数少，使用串行方式节省资源。(CPU并行需要切换线程，串行可以省去切换线程的资源)

Parallel Scavenge回收器∶吞吐量优先

• Parallel Scavenge收集器，并行回收、复制算法和"stop-the-world"机制的方式执行内存回收。
• Parallel scavenge收集器的目标则是达到一个可控制的吞吐量（Throughput），它也被称为吞吐量优先的垃圾收集器。
• 自适应调节策略也是Parallel scavenge与ParNew一个重要区别。
• 高吞吐量则可以高效率地利用CPU时间，尽快完成程序的运算任务，主要适合在后台运算而不需要太多交互的任务。因此，常见在服务器环境中使用。例如，那些执行批量处理、订单处理、工资支付、科学计算的应用程序。
• Parallel收集器在JDK1.6时提供了用于执行老年代垃圾收集的Parallel old收集器，用来代替老年代的serial old收集器。
• Parallel old收集器采用了标记-压缩算法，但同样也是基于并行回收和**"Stop-the-world"机制。**
• 在程序吞吐量优先的应用场景中，Parallel收集器和Parallel old收集器的组合，在server模式下的内存回收性能很不错。
• 在Java8中，默认是此垃圾收集器。
• 参数配置：
  • -XX :+UseParallelGC 手动指定年轻代使用Parallel并行收集器执行内存回收任务。
  • -XX:+UseParallelOldGC 手动指定老年代都是使用并行回收收集器。
  • -XX: ParallelGCThreads设置年轻代并行收集器的线程数。一般地,最好与CPU数量相等，以避免过多的线程数影响垃圾收集性能。
  • -XX:MaxGcPauseMiis 设置垃圾收集器最大停顿时间(即stw的时间)。单位是毫秒。
  • -XX:GCTimeRatio 垃圾收集时间占总时间的比例(= 1 / (N + 1))。用于衡量吞吐量的大小。
  • -XX:+UseAdaptiveSizePolicy 设置Parallel Scavenge收集器具有自适应调节策略

CMS回收器:低延迟

• CMS (concurrent-Mark-Sweep)收集器，这款收集器是HotSpot虚拟机中第一款真正意义上的并发收集器，它第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程同时工作。
• CMS收集器的关注点是尽可能缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间。停顿时间越短（低延迟）就越适合与用户交互的程序，良好的响应速度能提升用户体验。
• CMS的垃圾收集算法采用**标记-清除算法，**并且也会"stop-the-world"
• 优点:
  • 并发收集
  • 低延迟
• 弊端：
  • 产生内存碎片
  • CMS收集器对CPU资源非常敏感
  • CMS收集器无法处理浮动垃圾
• 参数配置：
  • -XX : +UseConcMarkSweepGC 手动指定使用CMS收集器执行内存回收任务
  • -XX:CMSlnitiatingOccupanyFraction 设置堆内存使用率的阈值，一旦达到该阈值,便开始进行回收。
  • -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection 用于指定在执行完FullGC后对内存空间进行压缩整理，以此避免内存碎片的产生。不过由于内存压缩整理过程无法并发执行，所带来的问题就是停顿时间变得更长了。
  • -XX:CMSFullGCBeforeCompaction 设置在执行多少次Full GC后对内存空间进行压缩整理。
  • -XX: ParallelCMSThreads 设置cMS的线程数量。

CMS的工作原理

• CMS整个过程比之前的收集器要复杂,整个过程分为4个主要阶段，即初始标记阶段、并发标记阶段、重新标记阶段和并发清除阶段。
  • 初始标记( Initial-Mark )阶段
    • 标记出 GC Roots能关联到的对象
  • 并发标记（Concurrent-Mark)阶段:
    • 从GC Roots的直接关联对象开始遍历整个对象图的过程，这个过程耗时较长但是不需要停顿用户线程，可以与垃圾收集线程一起并发运行。
  • 重新标记（Remark)阶段:
    • 因此为了修正并发标记期间，因用户程序继续运作而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录
  • 并发清除(Concurrent-Sweep）阶段:
    • 此阶段清理删除掉标记阶段判断的已经死亡的对象，释放内存空间。

HotSpot有这么多的垃圾回收器，那么如果有人问，serial Gc、Parallel Gc、Concurrent Mark Sweep GC这三个GC有什么不同呢?请记住以下口令:

• 如果你想要最小化地使用内存和并行开销，请选serial GC;
• 如果你想要最大化应用程序的吞吐量，请选Parallel Gc;
• 如果你想要最小化cc的中断或停顿时间，请选CMS Gc.

G1回收器:区域化分代式

• 官方给G1设定的目标是在延迟可控的情况下获得尽可能高的吞吐量，所以才担当起“全功能收集器”的重任与期望。

• 为什么名字叫做Garbage First (G1）呢?

  • 由于这种方式的侧重点在于回收垃圾最大量的区间（Region)，所以我们给G1一个名字:垃圾优先（(Garbage First) 。

• G1l (Garbage-First）是一款面向服务端应用的垃圾收集器，主要针对配备多核cPU及大容量内存的机器

• JDK9默认的垃圾收集器

G1回收器的特点（优势)

• 与其他 GC收集器相比，G1使用了全新的分区算法，其特点如下所示:
  • 并行与并发
    • 并行性: G1在回收期间，可以有多个GC线程同时工作，有效利用多核计算能力
      此时用户线程STW
    • 并发性: G1拥有与应用程序交替执行的能力，部分工作可以和应用程序同时执行，
      因此，一般来说，不会在整个回收阶段发生完全阻塞应用程序的情况
  • 分代收集
    • 从分代上看，G1依然属于分代型垃圾回收器，它会区分年轻代和老年代，年轻代依
      然有Eden区和survivor区。但从堆的结构上看，它不要求整个Eden区、年轻代或者老年代都是连续的，也不再坚持固定大小和固定数量。
    • 将堆空间分为若干个区域(Region),这些区域中包含了逻辑上的年轻代和老年代。
    • 和之前的各类回收器不同，它同时兼顾年轻代和老年代。对比其他回收器，或者工作在年轻代，或者工作在老年代;
  • 空间整合
    • G1将内存划分为一个个的region。内存的回收是以region作为基本单位的。Region之间是复制算法，但整体上实际可看作是标记-压缩(Mark-Compact)算法，两种算法都可以避免内存碎片。
  • 可预测的停顿时间模型（即:软实时soft real-time)

G1回收器的缺点

• 相较于CMS，G1还不具备全方位、压倒性优势。比如在用户程序运行过程中，G1无论是为了垃圾收集产生的内存占用(Footprint）还是程序运行时的额外执行负载(overload）都要比CMS要高。
• 从经验上来说，在小内存应用上CNS的表现大概率会优于G1，而G1在大内存应用上则发挥其优势。平衡点在5-8GB之间。

G1回收器的参数设置

• -XX: +UseG1GC 手动指定使用G1收集器执行内存回收任务。
• -XX:G1HeapRegionsize 设置每个Region的大小。值是2的幂，范围是1MB到32MB之间，目标是根据最小的Java堆大小划分出约2048个区域。默认是堆内存的1/2000。
• -XX:MaxGCPauseMillis 设置期望达到的最大Gc停顿时间指标(JVM会尽力实现，但不保证达到)。默认值是200ms

G1回收器的常见操作步骤

• G1的设计原则就是简化JVM性能调优，开发人员只需要简单的三步即可完成调优:
  • 第一步:开启G1垃圾收集器
  • 第二步:设置堆的最大内存
  • 第三步:设置最大的停顿时间
  • G1中提供了三种垃圾回收模式: YoungGc、Mixed GC和Full Gc，在不同的条件下被触发。

G1回收器的适用场景

• 面向服务端应用，针对具有大内存、多处理器的机器。
• 最主要的应用是需要低GC延迟，并具有大堆的应用程序提供解决方案;

G1回收器垃圾回收过程

• GC的垃圾回收过程主要包括如下三个环节:·
• 年轻代GC(Young GC)
• 老年代并发标记过程(Concurrent Marking)·
• 混合回收(Mixed GC)
• (如果需要，单线程、独占式、高强度的Full Gc还是继续存在的。它针对Gc的评估失败提供了一种失败保护机制，即强力回收。）

顺时针，young gc -> young gc + concurrent mark-> Mixed Gc顺序，进行垃圾回收。

G1回收器优化建议

• 年轻代大小
  • 避免使用-Xmn或-XX:NewRatio等相关选项显式设置年轻代大小
  • 固定年轻代的大小会覆盖暂停时间目标
    • 原因:年轻代Gc是并行独占式的，所以最好让垃圾回收器自己去调节
• 暂停时间目标不要太过严苛
  • G1 GC的吞吐量目标是90%的应用程序时间和10%的垃圾回收时间
  • 评估G1 GC的吞吐量时，暂停时间目标不要太严苛。目标太过严苛表示你愿意承受更多的垃圾回收开销，而这些会直接影响到吞吐量。
    • 说明:暂停时间和吞吐量是此消彼长的，所以不要把暂停时间设置的太严格，不然因为这个原因引起Full GC也不太好

Gc发展阶段:

Serial =>Parallel（(并行）=> CMS（并发）=>G1 => ZGC

怎么选择垃圾收集器?

• 1．优先调整堆的大小让JVM自适应完成。
• 2．如果内存小于100M，使用串行收集器
• 3．如果是单核、单机程序，并且没有停顿时间的要求，串行收集器
• 4．如果是多CPU、需要高吞吐量、允许停顿时间超过1秒，选择并行或者JVM自己选择
• 5．如果是多CPU、追求低停顿时间，需快速响应（比如延迟不能超过1秒，如互联网应用），使用并发收集器
  • 官方推荐G1，性能高。现在互联网的项目，基本都是使用G1。

垃圾回收器的新发展

• 现在G1回收器已成为默认回收器好几年了。
• 我们还看到了引入了两个新的收集器:ZGC(JDK11出现）和Shenandoah(open JDK12）。
  • 主打特点:低停顿时间

Open JDK12的Shenandoah GC

• Shenandoah GC的弱项:高运行负担下的吞吐量下降
• Shenandoah GC的强项:低延迟时间。

令人震惊、革命性的ZGC

• 《深入理解Java虚拟机》一书中这样定义ZGC:ZGC收集器是一款基于Region内存布局的，（暂时）不设分代的，使用了读屏障、染色指针和内存多重映射等技术来实现可并发的标记-压缩算法的，以低延迟为首要目标的一款垃圾收集器。
• 未来将在服务端、大内存、低延迟应用的首选垃圾收集器。

其他垃圾回收器

• Shenandoah GC的弱项:高运行负担下的吞吐量下降
• Shenandoah GC的强项:低延迟时间。

令人震惊、革命性的ZGC

• 《深入理解Java虚拟机》一书中这样定义ZGC:ZGC收集器是一款基于Region内存布局的，（暂时）不设分代的，使用了读屏障、染色指针和内存多重映射等技术来实现可并发的标记-压缩算法的，以低延迟为首要目标的一款垃圾收集器。
• 未来将在服务端、大内存、低延迟应用的首选垃圾收集器。